211service.com
Elektriska āda, kas konkurē ar īsto
Cilvēka ādas taustes jutīgumu ir grūti atjaunot, īpaši uz lielām, elastīgām virsmām. Taču divas Kalifornijas pētnieku grupas ir izgatavojušas spiediena sensora ierīces, kas ievērojami uzlabo jaunākos sasniegumus.
Jūtīga āda: Jauns taustes sensors var noteikt izkāpjoša kukaiņa maigu pieskārienu.
Viena, ko izgatavojuši Stenfordas universitātes pētnieki, ir balstīta uz organisko elektroniku un ir 1000 reižu jutīgāka par cilvēka ādu. Otrajā, ko izstrādājuši pētnieki Kalifornijas Universitātē Bērklijā, tiek izmantoti integrēti nanovadu tranzistoru bloki, un tas prasa ļoti maz enerģijas. Abas ierīces ir elastīgas, un tās var drukāt uz lieliem laukumiem; tie ir aprakstīti šonedēļ atsevišķos rakstos žurnālā Dabas materiāli .
Ļoti jutīgas virsmas var palīdzēt robotiem paņemt smalkus priekšmetus, tos nesalaužot, nodrošināt protezēšanai taustes sajūtu un dot ķirurgiem precīzāku kontroli pār minimāli invazīvās ķirurģijas instrumentiem. Mūsu mērķis ir atdarināt cilvēka ādu, saka Ženans Bao , Stenfordas ķīmijas inženierijas profesors. Cilvēka āda ātri reaģē uz spiedienu un var atklāt objektus, kas ir tik mazi kā smilšu graudiņš un gaismu kā kukainis.
Bao ierīces kodols sastāv no caurspīdīga silīciju saturoša polimēra, ko sauc par PDMS. Šī materiāla spēja uzkrāt lādiņu ir tieši saistīta ar tā biezumu. Pirms dažiem gadiem pētnieki vadīja Takao Someja Tokijas universitātē izmantoja šo īpašību, izmantojot PDMS kā izolācijas slāni elastīgos organiskajos tranzistoros, kas darbojās kā spiediena sensori. Taču šie sensori bija ierobežoti: saspiežot, PDMS molekulas maina konformāciju, un ir vajadzīgs laiks, līdz tās atgriežas sākotnējā stāvoklī.
Bao risināja šo problēmu, modelējot polimēru materiālu ar mikropilāru blokiem, kas paceļas no pieskaramās virsmas. Šis dizains ļauj materiālam izlocīties un ātri atgriezties sākotnējā formā, kas nozīmē, ka ir iespējams ātri veikt spiediena mērījumus pēc kārtas. Mikrostrukturēšana arī uzlabo ierīces jutīgumu. Maigākais spiediens, ko cilvēka āda spēj noteikt, ir aptuveni viens kilopaskāls; Bao ierīces var noteikt spiedienu, kas ir 1000 reižu maigāks.
Šo pieeju var izmantot elastīgu materiālu izgatavošanai ar lētām drukāšanas metodēm, taču iegūtās ierīces darbībai ir nepieciešams augsts spriegums. Ali Džeivijs , elektrotehnikas un datorzinātņu profesors Kalifornijas Universitātē Bērklijā, ir izveidojis mazjaudas taustes sensorus, kuru pamatā ir neorganisku nanovadu tranzistoru bloki. Tranzistori ir izvietoti zem komerciāli pieejamas vadošas gumijas slāņa, kas satur oglekļa nanodaļiņas, un ir savienoti ar to. Kad gumija ir saspiesta, tās elektriskā pretestība mainās, un to var noteikt tranzistori. Viņš skaidro, ka nanovadi tiek izmantoti kā aktīvā elektronika, lai darbinātu taustes sensoru augšpusē.
Nanovadu tranzistori nodrošina zemsprieguma darbību un ātru pārslēgšanas ātrumu elastīgā virsmā. Kamēr Bao ierīcēm ir nepieciešami aptuveni 20 volti, lai strādātu, Džeivijam ir nepieciešami mazāk nekā pieci volti.
Javey ir izveidojis sensoru blokus, kuru kvadrāts ir aptuveni 50 centimetri. Bao ir izveidojis apļveida masīvus, kuru diametrs ir nedaudz vairāk par 10 centimetriem. Abi pētnieki apgalvo, ka viņu ierīču izmēru ierobežo tikai laboratorijā esošie instrumenti - Džeivija gadījumā kontaktprintera izmērs un Bao gadījumā PDMS veidošanai izmantotās veidnes izmērs.
Mākslīgā āda varētu piedāvāt lielas priekšrocības robotu manipulācijām, saka Matejs Čiokarlijs , pētnieks Willow Garage, personīgās robotikas uzņēmumā, kas atrodas Menlo parkā, Kalifornijā. Kad robots manipulē ar objektu, šis objekts bieži var būt paslēpts no kamerām un citiem sensoriem, tāpēc taustes sensors var sniegt noderīgu atgriezenisko saiti. Skārienjutība var arī palīdzēt robotiem izvairīties no šķēršļiem un noteikt objektu atrašanās vietu sarežģītā vidē. Mākslīgajai ādai ir jāspēj nosegt lielas, neregulāras robota virsmas, tai ir jābūt atbilstošai jutībai un dinamiskajam diapazonam - visas ļoti nozīmīgas problēmas, ko šīs jaunās tehnoloģijas sola risināt, saka Čokarlijs.
Jaunās elektroniskās apvalka ierīces ir ievērojams sasniegums tehnikas līmenī enerģijas patēriņa un jutīguma ziņā, saka Džons Bolands , ķīmijas profesors Dublinas Universitātes Trīsvienības koledžā. Tomēr patiesais progress ir virzība no plakanas ģeometrijas uz elastīgu ierīci, ko varētu izmantot, lai izveidotu kaut ko cilvēka pirksta formā, viņš saka.
Ķirurģiskie instrumenti ar ļoti jutīgiem taustes sensoriem varētu dot ārstiem labāku kontroli pār to, cik daudz spēka viņi izmanto minimāli invazīvu operāciju laikā. Un liela platība, elastīga elektroniskā āda varētu atbilst nākotnes protezēšanas ierīču līknēm. Mūsdienu protezēšana ir neapstrādāta — tās var aptvert, bet nesniedz taustes atgriezenisko saiti, atzīmē Bolands.